[发明专利]一种用于GaN生长的复合衬底

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件和金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术领域，特别涉及用于生长GaN外延片的衬底。

背景技术

以GaN以及InGaN、AlGaN为主的III/V氮化物是近年来备受关注的半导体材料，其1.9-6.2eV连续可变的直接带隙，优异的物理、化学稳定性，高饱和电子迁移率等等特性，使其成为激光器、发光二极管等等光电子器件的最优选材料。

然而，对于现在的GaN基半导体材料器件来讲，由于缺少GaN衬底，通常GaN基LED的外延膜主要是生长在蓝宝石衬底、SiC、Si等衬底上。到目前为止，GaN材料体系的外延生长技术，基本是基于大失配的异质外延技术。应用最为广泛，专利保护最多的，主要是蓝宝石衬底的异质外延技术。其主要问题是：1.由于GaN和蓝宝石之间有较大的晶格失配和热应力失配，由此造成10⁹cm^-2的失配位错，严重影响晶体质量，降低LED的发光效率和使用寿命；2.蓝宝石是绝缘体，常温下电阻率大于10¹¹Ωcm，这样就无法制作垂直结构的器件，通常只能在外延层上表面制作N型和P型电极，因此使有效发光面积减小，同时增加了器件制备中的光刻和刻蚀工艺过程，使材料的利用率降低；3.蓝宝石的导热性能不好，在100℃热导率约为0.25W/cm K，这对于GaN基器件的性能影响很大。特别是在大面积大功率器件中，散热问题非常突出；4.在GaN-基激光器(LD)的制作中，由于蓝宝石硬度很高，并且蓝宝石晶格与GaN晶格之间存在一个30度的夹角，所以难于获得InGaNLD外延层的解理面，也就不能通过解理的方法得到InGaN-LD的腔面。

而对于SiC衬底来说，虽然其晶体常数与GaN晶格常数最为相近，晶格失配较小，但同样是异质外延，同样存在失配位错及热失配位错，且SiC衬底造价昂贵，在GaN基LED器件的应用中存在明显困难。Si衬底也是近些年开始研究的GaN基外延衬底，然而Si衬底与GaN的晶格失配度相较蓝宝石衬底还要大，并且Si衬底为立方晶向，GaN为六方晶向，这更增加了在其上外延GaN材料的困难，目前在Si衬底生长的GaN层面临开裂等严重问题，生长厚度很难超过4微米。

因此，对于晶体外延而言，无论从外延生长的理论上，还是半导体外延技术的发展历史，都已经证明，同质外延是最佳选择。近期，人们开始开发GaN单晶衬底制备技术，GaN单晶衬底的出现，使得GaN外延回归了同质外延，可以很好的提高外延GaN晶体的晶体质量，并且，GaN晶体较好的导热导电特性，使得使用GaN衬底外延的LED外延片可以直接制备为垂直结构LED器件，从而提高了器件在大电流注入下的性能。然而，GaN单晶衬底高昂的价格直接制约了其在LED器件的应用。目前，一片2英寸GaN单晶衬底价格可以达到2000美金，而目前市场一片2英寸高功率LED外延片的价格不超过100美金，这样的巨大成本完全限制了GaN单晶衬底在LED市场的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于生长GaN外延片的新型复合衬底，既要兼顾GaN外延所需要的同质外延要求，提高晶体质量，又可以直接制备垂直结构LED，且要降低了生产成本，使其能够投入实际应用。

本发明的用于GaN生长的复合衬底，包括一导热导电层和位于该导热导电层上的GaN单晶层。

如图1所示，本发明的复合衬底首先包括一导热导电层1，另在该导热导电层上键合一层GaN单晶2。

上述导热导电层的厚度为10微米～3000微米，优选50微米～400微米。该导热导电层的材料需满足几个特征，(1)熔点超过1000℃，或在1000℃下可以基本保持固态；(2)具有较高的导热特性和导电特性。

按以上要求，该导热导电层的材料可以选择一些单质金属或合金或准合金，例如金属W，金属Ni，金属Mo，金属Pd，金属Au，金属Cr等，或以上金属的任意两种或两种以上的合金，或以上一种或多种金属与Cu的合金，如WCu合金、MoCu合金以及NiCu合金等等材料。除了金属，该导热导电层的材料还可以为Si晶体、SiC晶体或AlSi晶体等。

在导热导电层上的GaN层的厚度为0.1微米～100微米，优选1微米～50微米。GaN层以单晶形式存在。